多年超疏水涂层的定义是：静态水接触角（WCA）大于150°，滑动角（SA）小于10°。这些涂层在防腐蚀、自清洁、防雾、减阻、防结冰、乳液分离和电子设备保护等领域具有广阔的应用前景。这种涂层通常是通过合适的表面形态和低表面能材料的精确协同组合来实现的。许多研究利用纳米复合材料，如含氟聚硅氧烷和TiO2、Fe3O4纳米颗粒(NPs)、黑色素纳米颗粒、纤维素基衍生物、氟化纳米金刚石和聚四氟乙烯，已经成功制备了超疏水涂层。然而，这些材料的使用引起了与氟化材料相关的环境问题。此外，其中一些材料的需要复杂的涂层工艺，合成成本很高。因此，设计和实际应用具有成本效益、易于制备和环保的超疏水纳米复合材料仍然是一项关键而又充满挑战的任务。
与其他纳米材料相比，二氧化硅基（SiO2）超疏水材料因其丰富、成本低廉和易于表面改性而被广泛研究。然而，已报道的由非氟化硅烷衍生物制成的二氧化硅基超疏水涂层仍存在一些限制其实际应用的问题，包括涂层稳定性（如机械稳定性差、耐久性不足、对环境条件敏感和耐化学性有限）以及潜在的环境和健康风险。例如，AEROSIL®E972（SiO2-DDS）是一种广泛应用的商业超疏水涂层，由二甲基二氯硅烷（DDS）处理的SiO2纳米颗粒组成。但这种处理方法引起了环境上的担忧，因为它可能导致化学物质在环境中持久存在，并对海洋生物产生毒性。因此，这些缺点凸显了使用环保、可生物降解材料替代持久性合成化学物质来生产超疏水材料的重要性。
氨基酸和肽因其多功能超分子结构、可扩展性、低成本和良好的生物相容性而成为有前景的超疏水涂层的构建材料。然而，目前对无氟氨基酸/肽基超疏水涂层的研究相对较少。
软机器人夹具因其固有的柔顺性和适应性，能够轻松处理扁平、柔软、易碎和可变形的物体，引起了人们的广泛关注。目前，已经开发出多种软夹具，包括使用气动致动的软弯曲夹具，介电弹性体致动器（DEAs），堵塞夹具，吸盘夹具，壁虎粘附夹具和电粘附（EA）夹具。其中，基于EA的软夹具能够在高电场下（通常为1MV/m的范围内）对两个表面之间的吸引静电力进行简单可逆的控制，这使得它们能够精确控制粘附力，快速响应，无残留，操作安静，处理方式温和灵活，能耗低。软EA夹具已在多种机器人原型中得到应用，包括用于反重力运动、空中栖息和易碎物体处理等场合。
软EA器件的关键组件是绝缘介电层和一对电极。研究者们致力于开发具有良好材料性能和加工性的软电极（如离子有机水凝胶）和介电弹性体（如聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚氨酯），以制造高性能的EA器件。然而，软EA夹具的实际应用仍面临挑战。如电压去除后残留几秒或几分钟的静电荷。此外，介电弹性体外层的固有粘性导致轻物体难以释放，并且在抓取湿物体时易发生介电击穿。为加速脱粘，研究者们提出了多种方法，包括极性反向控制、用于机械分离的空气喷射、振动释放和与致动器的结合。然而，这些方法往往会增加制造成本和夹具的复杂性。
近期，南洋理工大学和希伯来大学联合开发了一种适用于软弹性体的无氟超疏水涂层，并在软机器人电粘附（EA）夹具上得到实际应用。
使用氨基酸修饰二氧化硅纳米颗粒，合成直径约100纳米的球形无氟氨基酸基纳米颗粒（SiO2-Phe-Cbz）；然后通过喷涂技术，将SiO2-Phe-Cbz喷涂在PDMS弹性体基材上，制得超疏水涂层。该涂层的水接触角（WCA）约为160°，滑动角（SA）约为1°。该超疏水涂层具有高化学稳定性、热稳定性和辐射稳定性、自清洁性能，且不会显著影响弹性体的机械性能，并适用多种基材。当将该涂层涂覆在软EA夹具时，夹具能够快速响应，高效抓取多种干湿物体以及不规则物体，而未涂覆该涂层的夹具在断电后短时间内无法释放物体。因此，本研究提供了一种制备无氟无毒超疏水涂层的新方法，为软机器人夹具在农业、食品等领域的应用提供了广阔的发展前景。
合成过程
SiO2-Phe-Cbz NPs合成过程示意图。
制备工艺
PDMS基材上SiO2-Phe-Cbz涂层制备工艺示意图。
数据来源与出处
相关研究成果以发表在《Chemical Engineering Journal》上。
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